孫萬(wàn)明，于秋鴿，劉 貴

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013）

0 引言

20 世紀(jì)80 年代，部分地區(qū)煤礦開采以房柱式“以掘代采”開采方式為主，房柱式采空區(qū)的存在為礦井后續(xù)生產(chǎn)帶來(lái)諸多安全隱患[1]。對(duì)于同煤層的房柱式采空區(qū)，主要有水、火、有毒有害氣體、礦震等災(zāi)害，一般采取隔離、監(jiān)測(cè)等方式進(jìn)行災(zāi)害防治，相關(guān)研究以采空區(qū)范圍探測(cè)、穩(wěn)定性評(píng)估、頂板垮落空氣沖擊強(qiáng)度分析、采空區(qū)密閉墻設(shè)計(jì)方法等為主[2-7]。對(duì)于下層煤的房柱式采空區(qū)，主要考慮采空區(qū)頂板垮落對(duì)上層煤開采的影響及蹬空開采的可行性，相關(guān)研究以房柱式采空區(qū)煤柱穩(wěn)定性、蹬空開采可行性為主[8-10]。對(duì)于上層煤的房柱式采空區(qū)，除了考慮水、火、氣體、礦震等波及下層煤開采區(qū)的影響以外，還存在房柱式采空區(qū)垮落對(duì)下層煤頂板壓力的影響問(wèn)題，相關(guān)研究以房柱式采空區(qū)頂板沖擊來(lái)壓強(qiáng)度、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、頂板控制技術(shù)等為主[11-16]。

當(dāng)煤層間距較小時(shí)，上層房柱式采空區(qū)遺留煤柱集中應(yīng)力及其頂板垮落對(duì)下層煤頂板壓力影響明顯，提高了下層煤頂板管理難度。當(dāng)煤層間距較大時(shí)，兩層煤之間的相互影響將有所減弱，影響程度可根據(jù)上層煤煤柱失穩(wěn)引起的頂板垮落對(duì)底板的影響范圍與下層煤開采頂板破壞范圍之間的空間關(guān)系進(jìn)行分析。

某煤礦在5-2煤層進(jìn)行長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤，而上方的3-1煤層存在房柱式采空區(qū)。為了5-2煤層工作面的正?；夭?，需確定工作面開采引起的3-1煤層房柱式采空區(qū)頂板垮落沖擊對(duì)5-2煤層開采的影響。

本文針對(duì)兩層煤地質(zhì)開采條件、礦井工作面開采覆巖破壞實(shí)測(cè)規(guī)律，結(jié)合煤柱破壞極限強(qiáng)度理論、頂板垮落沖擊荷載計(jì)算方法及建筑物基底荷載在地基中影響深度分析方法等[1-2]，對(duì)3-1煤層頂板垮落對(duì)底板的影響范圍與5-2煤層開采頂板破壞范圍之間的空間關(guān)系進(jìn)行分析，并綜合研究確定了上層采空區(qū)垮落對(duì)下層煤開采的影響程度。

1 礦井地質(zhì)及煤層開采概況

礦井位于陜西省榆林市，煤系地層為侏羅系中統(tǒng)延安組。3-1煤層、5-2煤層為礦井的主要可采煤層。

3-1煤層埋藏較淺，平均埋深約60.0 m，河谷中見有露頭，煤層厚度2.20～3.60 m，平均厚度2.95 m。煤層頂板以粉砂巖為主，泥巖次之，細(xì)粒砂巖與砂質(zhì)泥巖少量；底板以粉砂巖為主，泥巖零星分布。

5-2煤層平均埋深約195.0 m，煤層厚度2.08～3.58 m，平均厚度3.06 m?？刹珊穸?.92～3.48 m，平均可采厚度2.87 m。煤層頂?shù)装寰苑凵皫r為主，砂質(zhì)泥巖、泥巖零星分布。兩層煤傾角均小于1°，層間距約135.0 m。

根據(jù)有關(guān)勘探資料，3-1煤層房柱式采空區(qū)面積約2.3 km2，采留尺寸為“采6 m 留6 m”，開采厚度約2.95 m，資源采出率約35%。5-2煤層采用長(zhǎng)壁工作面一次采全高全部陷落采煤法。傾向長(zhǎng)度245 m，走向長(zhǎng)度2 000 m 以上。兩層煤開采區(qū)位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 兩層煤開采區(qū)位置關(guān)系圖Fig.1 Position relation diagram of two layers coal mining area

2 煤層頂板垮落對(duì)底板沖擊荷載計(jì)算

對(duì)于煤層頂板垮落對(duì)底板沖擊荷載的計(jì)算，首先，應(yīng)確定懸頂區(qū)頂板可能發(fā)生垮落的巖體面積、厚度，以此確定垮落巖體重量；然后，根據(jù)巖體垮落高度，按照最不利情況下自由落體形式分析頂板巖體垮落對(duì)底板的沖擊荷載。通過(guò)檢索國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，有兩種代表性的研究成果可供參考，一是地質(zhì)災(zāi)害防治研究領(lǐng)域中的落石沖擊力計(jì)算方法[1]，二是煤礦采場(chǎng)底板破壞研究領(lǐng)域中的垮落巖體對(duì)采場(chǎng)底板沖擊動(dòng)載理論計(jì)算模型[2]。本文采用后者的計(jì)算模型進(jìn)行垮落沖擊荷載的計(jì)算。

2.1 房柱式采空區(qū)頂板垮落高度分析

3-1煤層覆巖主要為侏羅系延安組、新近系上新統(tǒng)紅土、第四系離石組黃土、薩拉烏蘇組砂層及風(fēng)積砂，無(wú)堅(jiān)硬巖層，覆巖巖性為中硬～軟弱。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采指南》，當(dāng)煤層厚度≤3 m、覆巖為中硬時(shí)，失穩(wěn)后的頂板垮落高度計(jì)算見式（1）。

式中，M為煤層開采厚度，房柱式開采由于保留煤柱的存在，M取值由煤厚與采出率計(jì)算得到等價(jià)采高1.03 m。根據(jù)式（1）計(jì)算得出垮落帶高度取最大值6.52 m。

2.2 房柱式采空區(qū)頂板垮落對(duì)底板沖擊應(yīng)力分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16]研究成果，垮落頂板對(duì)底板最大沖擊應(yīng)力計(jì)算見式（2）。

3-1煤層房柱式采空區(qū)垮落按照跟隨5-2煤層工作面推進(jìn)隨采隨垮考慮，工作面寬度方向上的垮落范圍，按巖層移動(dòng)角70°、煤層間距135 m 計(jì)算，3-1煤層受影響范圍為5-2煤層工作面兩側(cè)約50 m，總寬度為345 m，工作面推進(jìn)方向上垮落長(zhǎng)度同工作面周期來(lái)壓步距（16～20 m），按2 倍取值為40 m；巖層密度ρ取2 500 kg/m3，垮落高度為等價(jià)采高1.03 m；沖擊面積同頂板垮落面積；底板巖層的剪切模量取1.0 GPa，泊松比取0.25。

按照式（2）及以上參數(shù)取值計(jì)算得到5-2煤層某工作面開采時(shí)引起的3-1煤層垮落頂板對(duì)底板最大沖擊應(yīng)力約為2.37 MPa。

3 垮落沖擊應(yīng)力對(duì)底板影響深度分析

分別采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。

3.1 理論計(jì)算

參照建筑物基底荷載在地基中影響深度分析方法進(jìn)行懸頂區(qū)頂板垮落沖擊對(duì)底板影響深度分析。建筑物荷載對(duì)地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力一般隨深度增加而逐步減小。對(duì)于采動(dòng)擾動(dòng)地基，一般當(dāng)?shù)鼗械母郊討?yīng)力為地基自重應(yīng)力的10%時(shí)，可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基壓縮影響甚微，這個(gè)深度稱為地基受壓層深度。低于受壓層以下的土層中附加應(yīng)力很小，其對(duì)地基沉降的影響可忽略不計(jì)。地基中的自重應(yīng)力計(jì)算見式（3）。

式中：σc為自重應(yīng)力，MPa；γi為第i層土的重度，MN/m3；hi為第i層土的厚度，m；n為從地面到深度z處土的層數(shù)。該區(qū)土層較薄，忽略不計(jì)，基巖平均重度取0.025 MN/m3；3-1煤層采空區(qū)底板以下影響深度需累加該煤層平均埋深約60 m。

矩形基礎(chǔ)中點(diǎn)下豎向附加應(yīng)力計(jì)算見式（4）。

式中：σz為矩形基礎(chǔ)中點(diǎn)下豎向附加應(yīng)力，MPa；P0為矩形面積垂直均布荷載，此處取房柱式采空區(qū)頂板垮落對(duì)底板造成的沖擊壓力2.37 MPa；α為豎向附加應(yīng)力系數(shù)，根據(jù)m=l/b、n=z/b，經(jīng)查《豎向均布矩形荷載角點(diǎn)下方的豎向附加應(yīng)力系數(shù)》相關(guān)技術(shù)表格求得，l為基底長(zhǎng)邊長(zhǎng)，b為基底短邊長(zhǎng)，長(zhǎng)l、寬b按房柱式采空區(qū)垮落范圍分別取值為345 m、40 m。

經(jīng)計(jì)算，3-1煤層頂板垮落對(duì)底板造成的沖擊在底板以下約71 m 時(shí)的附加應(yīng)力約為0.35 MPa，此處巖層自重應(yīng)力約為3.54 MPa，沖擊附加應(yīng)力約為地層自重應(yīng)力的10%。

通過(guò)理論計(jì)算及分析，在3-1煤層房柱式采空區(qū)失穩(wěn)垮落帶巖體的沖擊載荷作用下，3-1煤層底板內(nèi)最大影響深度為底板以下約71 m 位置處。

3.2 房柱式采空區(qū)頂板垮落底板影響深度數(shù)值分析

1）數(shù)值模擬方法及模型。數(shù)值分析采用FLAC3D軟件，采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型進(jìn)行分析。依據(jù)礦井覆巖結(jié)構(gòu)及巖性進(jìn)行建模，建立的數(shù)值模型尺寸為266 m×266 m×206 m，建立的三維數(shù)值模型如圖2 所示，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 覆巖巖性及參數(shù)表Table 1 Lithology and parameters of rock strata

圖2 三維數(shù)值模型圖Fig.2 Diagram of 3D numerical model

首先，模型尺寸限制，3-1煤層房柱式采空區(qū)面積取60 m×60 m，開采煤房寬度為6 m，留設(shè)煤柱寬度為6 m，煤層開采厚度3 m。房柱式開采所建模型情況如圖3 所示。

圖3 模型中房柱式開采范圍圖Fig.3 Diagram of room-pillar mining range in the mode

2）數(shù)值計(jì)算方案及目的。為了研究3-1煤層煤柱失穩(wěn)沖擊對(duì)底板破壞的影響，本次數(shù)值計(jì)算共有兩種計(jì)算方案。方案一：研究3-1煤層煤柱未失穩(wěn)時(shí)，底板應(yīng)力分布情況；方案二：研究3-1煤層煤柱突然失穩(wěn)，3-1煤層覆巖垮落對(duì)底板沖擊的影響。

3）3-1煤層煤柱未失穩(wěn)情況下的底板應(yīng)力分布情況，房柱式開采后覆巖垂直應(yīng)力云圖如圖4 所示。房柱式開采后覆巖最大主應(yīng)力云圖如圖5 所示。

圖4 房柱式開采覆巖垂直應(yīng)力分布云圖Fig.4 Cloud map of overburden vertical stress distribution in room-pillar mining

圖5 房柱式開采覆巖最大主應(yīng)力分布云圖Fig.5 Cloud map of overburden maximum principal stress distribution in room-pillar mining

由圖4 和圖5 可知，房柱式開采后，底板應(yīng)力發(fā)生改變的深度僅為3-1煤層下部約20 m。

4）3-1煤層煤柱失穩(wěn)沖擊載荷對(duì)底板的影響分析。為了模擬房柱式采空區(qū)煤柱失穩(wěn)覆巖垮落對(duì)底板的沖擊作用，根據(jù)式（2）自主開發(fā)了可進(jìn)行沖擊動(dòng)載模擬的FISH 程序，假設(shè)全部房柱同時(shí)失穩(wěn)，利用FLAC3D加載動(dòng)載模擬程序得到的房柱式采空區(qū)頂板垮落沖擊后底板巖層垂直應(yīng)力和最大主應(yīng)力云圖分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 頂板沖擊載荷作用下的底板巖層垂直應(yīng)力分布云圖Fig.6 Cloud map of floor rock vertical stress distribution under roof impact load

圖7 頂板沖擊載荷作用下的底板巖層最大主應(yīng)力分布云圖Fig.7 Cloud map of floor rock maximum principal stress distribution under roof impact load

由圖6 和圖7 可知，數(shù)值分析得到的3-1煤層房柱式采空區(qū)頂板垮落沖擊在底板的影響深度約為60 m。

4 5-2 煤層開采覆巖破壞高度分析

礦井前期針對(duì)5-2煤層的開采進(jìn)行了覆巖破壞高度鉆孔實(shí)測(cè)，共施工4 個(gè)鉆孔，采用鉆孔沖洗液漏失量觀測(cè)法及鉆孔彩色電視觀測(cè)法進(jìn)行“兩帶”觀測(cè)。最終得出礦井5-2煤層開采最大裂采比為21.57。根據(jù)房柱式采空區(qū)附近鉆孔揭露情況，該區(qū)5-2煤層平均厚度約2.71 m，按照5-2煤層開采實(shí)測(cè)最大裂采比21.57 進(jìn)行預(yù)計(jì)，該區(qū)5-2煤層綜采工作面開采覆巖破壞高度約為58.5 m。

5 3-1 煤層房柱式采空區(qū)垮落對(duì)5-2 煤層影響分析

上層煤房柱式采空區(qū)是否對(duì)下層煤開采產(chǎn)生影響，以上層煤頂板垮落沖擊荷載影響范圍是否波及下層煤開采覆巖破壞范圍為判據(jù)，若兩者相互波及，則認(rèn)為根據(jù)波及范圍大小有不同程度影響，若兩者之間有一定距離，則認(rèn)為相互影響較小或不影響。

根據(jù)前文分析結(jié)果，礦井3-1煤層房柱式采空區(qū)頂板垮落對(duì)底板影響深度最大為60～71 m，5-2煤層開采覆巖破壞高度約為58.5 m，根據(jù)附近鉆孔揭露情況，該區(qū)5-2煤層距3-1煤層約為135.0 m，綜合分析認(rèn)為3-1煤層房柱式采空區(qū)垮落沖擊荷載影響深度與下層5-2煤層垮落裂縫帶頂界面之間尚有5.5～16.5 m 的距離，因此可以認(rèn)為3-1煤層房柱式采空區(qū)失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊載荷對(duì)下層5-2煤層的開采影響較小。

6 結(jié)論

1）針對(duì)上層煤存在房柱式采空區(qū)、下層煤進(jìn)行長(zhǎng)壁綜采的條件，通過(guò)理論計(jì)算對(duì)3-1煤層房柱式采空區(qū)頂板垮落面積、高度及其對(duì)底板的最大沖擊荷載進(jìn)行了分析。

2）通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬兩種方法對(duì)房柱式采空區(qū)頂板垮落沖擊荷載在底板內(nèi)的附加應(yīng)力分布及影響深度進(jìn)行了分析，底板附加應(yīng)力最大影響深度為60～71 m；根據(jù)礦井5-2煤層開采實(shí)測(cè)裂采比及研究區(qū)5-2煤層厚度，分析認(rèn)為5-2煤層開采覆巖破壞高度最大約58.5 m。

3）以上層煤頂板垮落沖擊荷載影響范圍是否波及下層煤開采覆巖破壞范圍為判據(jù)評(píng)價(jià)上層煤是否對(duì)下層煤開采產(chǎn)生影響。根據(jù)煤層間距認(rèn)為房柱式采空區(qū)垮落沖擊荷載影響范圍與下層煤垮落覆巖破壞范圍之間尚有一定距離，綜合研究認(rèn)為3-1煤層房柱式采空區(qū)失穩(wěn)產(chǎn)生的沖擊載荷對(duì)下層5-2煤層的開采影響較小。

4）房柱式采空區(qū)頂板垮落沖擊對(duì)下層煤開采影響分析方法及判據(jù)可為類似條件房柱式采空區(qū)下采煤提供有益借鑒。